馮水安

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361000)

后置客車冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇傳動，目前采用較多的是機械式皮帶傳動系統(tǒng)及電子風(fēng)扇系統(tǒng)。機械式皮帶傳動結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但由于其結(jié)構(gòu)和傳動形式的限制而存在許多不理想之處，很難使發(fā)動機在不同的工作狀態(tài)和不同的環(huán)境下得到最佳冷卻效果。近年來，隨著發(fā)動機排放升級及對整車油耗要求越來越高，較多客車冷卻系統(tǒng)采用電子風(fēng)扇系統(tǒng)，但是由于大功率發(fā)動機散熱需求極大，電子風(fēng)扇數(shù)量需達到 7～8個，耗電量極大且布置空間極大，受限于整車空間限制較難布置。而采用液壓傳動形式，其可靠性和節(jié)能性都較好[1]。本文主要介紹某12 m城際客車風(fēng)扇定量泵液壓傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)及主要部件的匹配設(shè)計。

1 系統(tǒng)工作原理及主要參數(shù)確定

風(fēng)扇液壓傳動系統(tǒng)組成部件有液壓泵、液壓馬達、油冷器、油管、接頭及油箱等，液壓泵與液壓馬達為最主要工作部件，液壓泵與液壓馬達的匹配尤其關(guān)鍵。液壓泵安裝在發(fā)動機的PTO連接口，由發(fā)動機帶動；散熱器風(fēng)扇安裝在液壓馬達的輸出軸上，馬達由液壓泵驅(qū)動進而帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，從而對整個冷卻系統(tǒng)散熱總成進行散熱。RC控制器通過接收發(fā)動機進氣溫度及發(fā)動機出水溫度報文信號，控制液壓馬達中的比例閥，從而最終控制馬達轉(zhuǎn)速。定量泵液壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示[1-3]。

圖1 定量泵液壓系統(tǒng)示意圖

從圖1可以看出，液壓泵輸出與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及PTO速比相關(guān)；液壓馬達輸出轉(zhuǎn)速即為風(fēng)扇的運行轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)的主要參數(shù)有風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、PTO傳動比、系統(tǒng)最大工作壓力等。

系統(tǒng)最大工作壓力是指風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最高時系統(tǒng)的壓力，確定時應(yīng)考慮液壓泵、液壓馬達及液壓管路的承受能力，并考慮一定的安全系數(shù)，一般不大于25 MPa為宜[1]。

本車型采用依維柯發(fā)動機，根據(jù)發(fā)動機散熱量及現(xiàn)有車型空間布置，風(fēng)量需要達到7.2 m3/h才能滿足需求，因此選用霍頓762 mm風(fēng)扇葉，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。結(jié)合發(fā)動機廠家提供的外特性參數(shù)及風(fēng)扇廠家提供的風(fēng)量性能曲線，該液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：發(fā)動機怠速為(500±50) r/min；發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min；發(fā)動機PTO接口速比為1.72；風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速n為1 800 r/min，此時風(fēng)扇消耗功率P為13.8 kW。

2 系統(tǒng)主要部件匹配及程序刷定

2.1 液壓馬達匹配設(shè)計

風(fēng)扇液壓系統(tǒng)由馬達直接驅(qū)動風(fēng)扇，風(fēng)扇的運行扭矩即為馬達的輸出扭矩。相關(guān)參數(shù)計算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：T為馬達輸出扭矩；V為馬達排量；Q為馬達流量；P為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速時消耗功率，數(shù)值為13.8 kW；n為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速，本文為1 800 r/min；ΔP為系統(tǒng)預(yù)定工作壓力，本文初取23 MPa，一般不高于25 MPa；ηh為馬達機械效率，齒輪馬達一般取0.9；ηv為馬達容積效率，齒輪馬達一般取0.92；Vg為馬達最終實際選用的排量。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和式(2)，計算得到馬達排量V為22.24 cm3/r。根據(jù)博世力士樂液壓產(chǎn)品選型手冊，選擇實際采用的馬達實際排量Vg為22.5 cm3/r。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(3)，計算得到馬達流量Q為44.02 L/min。

將實際選用的馬達排量22.5 cm3/r帶入式(2)，可得馬達實際工作壓力ΔPg為22.7 MPa。

2.2 液壓泵匹配設(shè)計

管路壓力損失按經(jīng)驗值0.5 MPa核算，因此液壓泵工作壓力為23.2 MPa。液壓泵選型最關(guān)鍵的參數(shù)為泵的排量Vp：

Vp=100·Q/(n·i·ηvp)

(4)

式中:n為風(fēng)扇達到最高轉(zhuǎn)速時所需發(fā)動機的最小轉(zhuǎn)速，由于發(fā)動機最大扭矩值時轉(zhuǎn)速為1 400～1 600 r/min，風(fēng)扇實際達到最高轉(zhuǎn)速時經(jīng)常在發(fā)動機最大扭矩工況下，因此取值為1 600 r/min；i為發(fā)動機PTO接口傳動比，根據(jù)發(fā)動機提供取值為1.72；ηvp為液壓泵的容積效率，取值0.96；Q為2.1節(jié)中計算值44.02 L/min。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)，計算得到液壓泵排量Vp為17.04 cm3/r。根據(jù)博世力士樂液壓產(chǎn)品選型手冊，選擇實際采用的液壓泵排量Vh為19 cm3/r。

2.3 風(fēng)扇達最高轉(zhuǎn)速時發(fā)動機最小轉(zhuǎn)速核算

根據(jù)式(4)及最終選定的液壓泵實際排量可以核算在風(fēng)扇達到最高轉(zhuǎn)速時發(fā)動機所需最小轉(zhuǎn)速n:

n=100·Q/(Vh·i·ηv)

(5)

式中:Q為2.1節(jié)中計算值44.02 L/min，該流量為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速下狀態(tài)；Vh為實際選用的液壓泵排量，數(shù)值為19 cm3/r。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(5)，計算出風(fēng)扇達到最大轉(zhuǎn)速，此時發(fā)動機所需轉(zhuǎn)速為1 435 r/min；符合發(fā)動機最大扭矩工況轉(zhuǎn)速范圍，能夠較好滿足車輛爬坡工況下最大扭矩時的需求。

2.4 系統(tǒng)程序刷定

發(fā)動機按照標準SAE J1939輸出中冷溫度與水溫報文信號，RC控制器通過接收發(fā)動機中冷溫度及水溫報文信號，主要是確定風(fēng)扇開始運轉(zhuǎn)的起始溫度和風(fēng)扇全速運轉(zhuǎn)時的溫度。起始溫度一般比節(jié)溫器全開溫度低3～5 ℃，因為在節(jié)溫器全開之前，只有部分冷卻水通過散熱器，此時風(fēng)扇可以不用運轉(zhuǎn)；若節(jié)溫器全開后風(fēng)扇仍不運轉(zhuǎn)，水溫會迅速升高，不利于發(fā)動機正常工作[4-5]。

結(jié)合發(fā)動機廠家提供的節(jié)溫器信息，風(fēng)扇液壓系統(tǒng)程序設(shè)定如下：風(fēng)扇起始運行時發(fā)動機出水溫度88 ℃；風(fēng)扇全速運行時發(fā)動機出水溫度95 ℃；風(fēng)扇起始運行時發(fā)動機進氣溫度50 ℃；風(fēng)扇全速運行時發(fā)動機進氣溫度60 ℃；發(fā)動機出水溫度報文信號為16#18FEEE00；發(fā)動機進氣溫度報文信號為16#18FEF600[6-7]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、馬達進口壓力、馬達出口壓力、泵吸油壓力進行測試，評估現(xiàn)有匹配的液壓系統(tǒng)在發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇所能達到的最高轉(zhuǎn)速，從而評估是否滿足發(fā)動機散熱需求。

從測試曲線(圖2)可以看出，風(fēng)扇在現(xiàn)有液壓泵及液壓馬達驅(qū)動下最高轉(zhuǎn)速可以達到1 780 r/min，基本符合初始設(shè)計要求達到的1 800 r/min，該系統(tǒng)匹配符合要求[8-10]。

圖2 系統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測試曲線

4 結(jié)束語

風(fēng)扇液壓系統(tǒng)相比其他形式穩(wěn)定性更好，采用風(fēng)扇液壓傳動是大馬力發(fā)動機發(fā)展趨勢之一。整套液壓系統(tǒng)的有效工作，很大程度上取決于液壓泵與液壓馬達的選型，因此液壓泵與液壓馬達的匹配至關(guān)重要。